【图片】TEC即半导体热电制冷器使用说明及控制电路设计【半导体制冷吧】_百度贴吧
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TEC即半导体热电制冷器使用说明及控制电路设计
一、使用说明：
正确的安装、组装方法：1、制冷片一面安装散热片，一面安装导冷系统，安装表面平面度不大于0.03mm，要除去毛刺、污物。2、制冷片与散热片和导冷块接触良好，接触面须涂有一薄层导热硅脂。3、固定制冷片时既要使制冷片受力均匀，又要注意切勿过度，以防止瓷片压裂。
正确的使用条件：1、使用直流电源电压不得超过额定电压，电源波纹系数小于10％。2、电流不得超过组件的额定电流。3、制冷片正在工作时不得瞬间通反向电压(须在5分钟之后)。4、制冷片内部不得进水。5、制冷片周围湿度不得超过80％。二、半导体制冷器的驱动电路设计
半导体制冷片根据流过半导体的电流方向和大小来决定其工作状态的（电流的方向决定制冷或者制热，电流的大小决定制冷或者制热的程度和效果）。为了使半导体制冷片能够自动的进行恒温控制，就必须设计好其驱动电路和控制电路。
PID控制系统是目前精度较高的技术，可以用来对半导体制冷片的电流进行控制，以实现高精度的控温效果。这是一个参考设计框图，内部电路的搭建需要复杂精密的控制和计算，这里介绍一种驱动高效率、零干扰、小封装并调节物体温度具有高稳定性的TEC控制器，此模块为用户提供多个接口，用以设置物体所需的温度，也就是选点温度；TEC上的最大电压；以及补偿网络。补偿网络补偿高阶热负载，从而稳定了温度控制环路。此控制器有以下功能： 热敏电阻T-R线性化曲线，温度测量与监控，温度控制环路状态指示，TEC电压监控，上电延迟及关闭。特点：高效率：90%以上最大输出电流：4A最大输出电压：4.7V高稳定性：±0.01°C实际物体的温度监测可靠性高产品信息和技术问题欢迎咨询Q
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高精度半导体制冷恒温系统研发,产品包括半导体制冷组件,冷阱,冷槽,冷台,恒温箱,水浴.并可根据用户需求定制各类高精度半导体制冷恒温系统,欢迎来电咨询.
TEC5V6A-D模块是为驱动高效率、零干扰、小封装并调节物体温度具有高稳定性的TEC而设计的。如图例所示。这个模块为客户提供接口端口来设置所需的物体温度（即设定点的温度）、最大的输出电压和补偿网络。 此模块为用户提供多个接口，用以设置目标物体温度，也就是选点温度；TEC上的最大输出电压；以及补偿网络。补偿网络补偿高阶热负载，从而稳定温度控制环路。此控制器提供以下功能： 热敏电阻T-R曲线线性化，温度测量与监控，温度控制环路状态指示，TEC电压监控，上电延迟及关闭。
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半导体制冷技术在小型恒温箱的应用
　　摘 要：恒温箱是一种封闭式空间装置，因其内部温度恒定而能满足现代各领域作业的恒温需要，文章基于传统技术导致恒温箱内部温度调节控制效果不良的情况结合半导体制冷技术应用进行分析，从而来大大改善传统技术下恒温箱的恒温效果。 中国论文网 /1/view-6899183.htm　　关键词：恒温箱；半导体制冷技术；控制 　　1 半导体技术概述 　　半导体制冷技术又叫温差制冷、热电制冷技术。其主要基于塞贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应原理，利用P、N型半导体组成的半导体热电偶中电流的流向不同而形成的温差进行制冷与制热。根据帕尔贴效应，电流通过不同材料的接点时，会出现放热或吸热的现象，且热量大小与电流强弱成正比。 　　2 传统恒温箱与半导体制冷技术恒温箱比较 　　（1）传统的恒温箱原理简单，主要由温度传感器、制冷压缩机、热风机三部分组成，温度传感器测量内部空气温度，作为信号采集端结合继电器发出命令，当温度高于上限时，开启压缩机制冷，温度下降。温度低于下限时，开启热风机（有的用红外线或电阻丝）加热，温度开始回升。如此来回控制，以达到恒温的目的。而半导体恒温箱实际上是在传统恒温箱基础上做了替代与优化。依据半导体制冷原理，选取半导体制冷芯片替代制冷压缩机作为关键制冷部件，通过改变半导体制冷芯片的电流方向实现制冷制热的双向选择，调节电流强弱来改变升温或降温的幅度，以此将恒温箱内部温度控制在设定理想范围。 　　（2）就控制温度的精度而言，传统恒温箱的控温精度主要取决于温度传感器的线性和精度，目前市面上大多采用集成温度传感器进行测量，一般情况下，恒温箱内部空间温度达到上、下限时才开始加热或制冷，温度需要一段时间才能达到理想值。因此，对于某些对控温精度要求较高的设备，可设置偏离度，使之提前加热或制冷；就硬件设备而言，传统恒温箱往往需要一个尺寸较大的制冷循环系统来作为温度控制的执行部件，因此其设备体积较大，此外由于振动噪音高、电源需求严格等条件的限制，在特殊场合的使用上有很大局限性。因此，在保证控温精度前提下尽可能降低保温箱的尺寸对实际应用的发展有着很重要的意义。因而半导体制冷技术对恒温箱的应用将其从笨重复杂的结构中解放出来，形成了新型的空调系统。相比于传统恒温箱，半导体恒温箱从根本上解决了制冷剂的使用对环境的污染问题，促使了小型恒温箱的出现，有效解决了不易携带、噪音要求等技术性遗留问题。 　　3 半导体恒温箱性能研究 　　（1）小型半导体恒温箱其主要构成部件是由箱体、冷热端的散热片及半导体芯片等组成。而散热组成部分在整个恒温箱中占据着举足轻重的地位，其性能的好坏直接影响着制冷芯片的工作性能。而在半导体恒温箱的散热部分中我们可以采用强制换热的方式增强换热效果，一般有空冷式、水冷式强制对流与重力式热管三种换热类型，其中水冷式效果最好，它是利用较好的材料做成水箱，通入液体（一般是水）进行降温而，在散热片安装时与制冷芯片之间存在连接间隙，因此，散热片的安装方式也会对散热时的热阻产生影响。常见的连接方式有粘结、焊接、机械固定三种，粘结与焊接都使用其他介质对散热片与制冷片进行连接，介质材料的选取对导热性能起主导作用，后者的工艺实现更复杂；机械固定的精度控制要求很高，否则产生的热阻很大。在实际制造中，应结合考虑以上两种因素对散热方式及其安装形式进行选择。（2）下面我们再通过两组试验方案分别从环境温度和热端散热效果因素来对半导体恒温箱的性能进行分析： 　　试验1：在正常环境温度下，保证散热风扇正常运行及试验用的10v工作电压，并测量记录各时间段的温度读数，一直记录到制冷端及恒温箱内温度稳定为止。然后我们通过降低恒温箱周围的环境温度，并测量记录各时间段的温度。测试数据见图1。 　　由图1可以看出随着环境温度降低的变化，热端温度也开始下降，而冷端温度和恒温箱内温度也随之慢慢下降。到试验的50分钟左右时，从测试记录来看温度又开始处于比营造环境温度前略低相对稳定的状态。所以由此看出环境温度的降低对恒温箱内部的温度也会造成显著的影响。 　　试验2：保证10v的试验电压，并且把环境温度控制在29度左右来测量一下散热风扇在运行和停运情况下各时间段恒温箱内部的温度，测试数据见图2。 　　测试在前50分钟内保持散热风扇处于运行状态。由图2可以看出在前10分钟内恒温箱内温度及制冷端的温度快速下降至16度和-4度左右，而热端温度上升至35度左右。然后温度处于稳定平衡状态。在50分钟后停止散热风扇运行，而此时冷热端温度随着时间变化而快速上升。到20分钟后制冷端温度接近箱内温度，从而看出制热端的散热好坏对半导体制冷效果有着显著的影响，因此在恒温箱内加强对热端的散热效果，有利于增强制冷效果达到恒温的目的。 　　因而通过上面对散热器的两组试验进行分析可以看出，半导体制冷技术对于恒温箱内环境温度、热端散热效果及散热器类型和装置以及半导体热电制冷性能有着显著的影响。 　　4 半导体制冷技术在恒温箱的应用范围 　　就像前文说的那样恒温箱是一种封闭式空间装置，因其内部温度恒定而能满足现代各领域作业的恒温需要。在生物前沿实验研究中可以作为培育或运输的工具，在城市防疫站、疾控中心中也能作为特殊药品的储存空间站，同时医院中还可以作为新生儿培育箱，对于城市水质地质检测等也有着广泛应用，这是新科技发展时代中必不可少的重要工具。 　　5 结束语 　　半导体制冷技术作为一种新型的制冷技术把它运用到恒温箱制冷设备中从而一举解决了其散热难等问题。而且半导体制冷技术不仅符合绿色环保要求和无噪声污染、清洁及无有害物质排放，并且还拥有稳定性好、可靠性高等一系列的优点。在未来发展中该技术应不仅在恒温箱内部设备散热方面具有发展空间，同时也必将广泛应用于化学工业、医疗保健、农林畜牧、生物实验等多个领域，因此未来半导体制冷技术将呈上升发展趋势。 　　参考文献 　　[1]殷亮，李茂德，何文莉.半导体制冷系统非稳态温度工况的模型及实验分析[J].能源技术，）：5-9. 　　[2]吴丽清，陈金灿，严子浚.汤姆逊效应对半导体制冷器性能的影响[J].半导体学报，）：448-453. 　　[3]孙维连.基于半导体制冷技术的自动温控箱的研究与设计[D].河北农业大学，2012. 　　[4]梁斯麒.半导体制冷技术在小型恒温箱的应用研究[D].华南理工大学，2011.
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xzbu发布此信息目的在于传播更多信息，与本网站立场无关。xzbu不保证该信息（包括但不限于文字、数据及图表）准确性、真实性、完整性等。&>&半导体制冷器工作电流和应用参数的特性分析.pdf
半导体制冷器工作电流和应用参数的特性分析.pdf
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热电制冷循环中半导体制冷器工作电流和使用参数的关系，分析最大制冷温差和最大制冷系数的影响
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半导体制冷器工作电流和应用参数的特性分析.pdf热电制冷器、温差电制冷器、散热-热电制冷器、温差电制冷器、散热
上海渤锦企业发展有限公司
&&产品分类
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&&半导体制冷器
半导体制冷器
上海渤锦企业发展有限公司
产品型号：
半导体制冷技术和应用&
一.&器件介绍
半导体致冷器（TE）也叫热电致冷器，是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无致冷剂污染的场合。
&&& 半导体致冷器的工作运转是用直流电流，它既可致冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一致冷器上实现致冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理，以下的图就是一个单片的致冷器，它由两片陶瓷片组成，其中间有N型和P型的半导体材料（碲化铋），这个半导体元件在电路上是用串联形式连结组成.
&&& 半导体致冷器的工作原理是：当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定，以下三点是热电致冷的温差电效应。
1、塞贝克效应（SEEBECK EFFECT）
&&& 一八二二年德国人塞贝克发现当两种不同的导体相连接时，如两个连接点保持不同的温差，则在导体中产生一个温差电动势：&
&&&&& ES=S.△T
　　式中：ES为温差电动势&& S为温差电动势率（塞贝克系数）&&&& △T为接点之间的温差　　
2、珀尔帖效应（PELTIER EFFECT）
&&& 一八三四年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流的大小来决定。
&&&&&& Qл=л.I л=aTc
　　式中：Q& 为放热或吸热功率& I为工作电流&&&&& a为温差电动势&&&&&&& Tc为冷接点温度
3、汤姆逊效应（THOMSON EFFECT）
&&& 当电流流经存在温度梯度的导体时，除了由导体电阻产生的焦耳热之外，导体还要放出或吸收热量，在温差为△T的导体两点之间，其放热量或吸热量为：
&&&&& Q&=&.I.△T
　　Q&为放热或吸热功率&&&&&&& &为汤姆逊系数&&&&&&& I为工作电流&&&&&& △T为温度梯度
&&& 以上的理论直到本世纪五十年代，苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究，于一九五四年发表了研究成果，表明碲化铋化合物固溶体有良好的致冷效果，这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差致冷中半导体材料的一种主要成份。
&&& 约飞的理论得到实践应用后，有众多的学者进行研究到六十年代半导体致冷材料的优值系数，才达到相当水平，得到大规模的应用，也就是我们现在的半导体致冷器件。
&&& 中国在半导体致冷技术开始于50年代末60年代初，当时在国际上也是比较早的研究单位之一，60年代中期，半导体材料的性能达到了国际水平，60年代末至80年代初是我国半导体致冷器技术发展的一个台阶。在此期间，一方面半导体致冷材料的优值系数提高，另一方面拓宽其应用领域。中国科学院半导体研究所投入了大量的人力和物力，获得了半导体致冷器，因而才有了现在的半导体致冷器的生产及其两次产品的开发和应用。
二.&技术应用
半导体致冷器作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：
1、不需要任何致冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体器件，工作时没有震动、噪音、寿命长、安装容易。
2、半导体致冷器具有两种功能，既能致冷，又能加热，致冷效率一般不高，但致热效率很高，永远大于1。因此使用一个器件就可以代替分立的加热系统和致冷系统。
3、半导体致冷器是电流换能型器件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。
4、半导体致冷器热惯性非常小，致冷致热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，致冷器就能达到最大温差。
5、半导体致冷器的反向使用就是温差发电，半导体致冷器一般适用于中低温区发电。
6、半导体致冷器的单个致冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成致冷系统的话，功率就可以做的很大，因此致冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。
7、半导体致冷器的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。
通过以上分析，半导体温差电器件应用范围有：致冷、加热、发电，致冷和加热应用比较普遍，有以下几个方面：
&&& 1.军事方面
& 导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统
&&& 2.医疗方面
& 冷力、冷合、白内障摘除器、血液分析仪等
&&& 3.实验室装置方面
& 冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪器
&&& 4.专用装置方面
& 石油、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等
&&& 5.日常生活方面
& 空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱等。此外，还有其它方面的应用
三.&性能计算
在应用致冷器前，要进一步的了解它的性能，实际上致冷器的冷端从周围吸收的热Qл外，还有两个：一个是焦耳热Qj；另一个是传导热Qk。电流从元件内部通过就产生焦耳热，焦耳热的一半传到冷端，另一半传到热端，传导热从热端传到冷端。
热端散掉的热Qh
=（2p-2n）.Tc.I-1/2j²R-K（Th-Tc）
=（2p-2n）.Th.I+1/2I²R-K（Th-Tc）
式中，R表示一对电偶的总电阻，K是总热导。
从上面两公式中可以看出，输入的电功率恰好就是热端散掉的热与冷端吸收的热之差，这就是&热泵&的一种：
&&&&&& Qh-Qc=I²R=P
由上式得出一个电偶在热端放出的热量Qh等于输入电功率与冷端产冷量之和，相反得出冷端产冷量Qc等于热端放出的热量与输入电功率之差。
&&&& Qh=P+Qc&&& &&&& Qc=Qh-P
最大致冷功率的计算方法：
A.1 在热端温度Th为27℃&1℃, 温差为△T=0 ,& I=Imax 时，
最大致冷功率Qcmax(W)按公式（1）计算：Qcmax=0.07NI&&
(1)式中：N ---器件对数,& I ---器件的最大温差电流（A）。
A.2 若热面温度为3~40℃时，最大致冷功率Qcmax（W）应按公式（2）加以修正，
QcmaxOTh= Qcmax&[1+0.0042(Th--27)]&&
(2)式中：Qcmax ---热面温度Th=27℃&1℃的最大致冷功率（W），
QcmaxOTh --热面温度Th --3~40℃时的实测温度下的最大致冷功率（W）
四.&应用选择
半导体致冷应用产品的心脏部分是半导体致冷器，根据半导体温差电堆的特点，弱点及应用范围，选用电堆时首先应确定以下几个问题：
1、确定电堆的工作状态。根据工作电流的方向和大小，就可以决定电堆的致冷，加热和恒温性能，尽管最常用的是致冷方式，但也不应忽视它的致热和恒温性能。
2、确定致冷时热端实际温度。因为电堆是温差器件，要达到最佳的致冷效果，电堆须安装在一个良好的散热器上，根据散热条件的好坏，决定致冷时电堆热端的实际温度，要注意，由于温度梯度的影响，电堆热端实际温度总是要比散热器表面温度高，通常少则零点几度，多则高几度、十几度。同样，除了热端存在散热梯度以外，被冷却的空间与电堆冷端之间也存在温度梯度。
3、确定电堆的工作环境和气氛。这包括是工作在真空状况还是在普通大气，干燥氮气，静止或流动空气及周围的环境温度，由此来考虑保温（绝热）措施，并决定漏热的影响。
4、确定电堆工作对象及热负载的大小。除了受热端温度影响以外，电堆所能达到的最低温度或最大温差是在空载和绝热两个条件下确定的，实际上工作的，电堆既不可能真正绝热，也必须有热负载，否则无意义。
5、确定致冷器的级数。电堆级数的选定必须满足实际温差的要求，即电堆标称的温差必须高于实际要求的温差，否则达不到要求，但是级数也不能太多，因电堆的价格随着级数的增加而大大提高。
6、电堆的规格。选定电堆的级数以后，就可以选定电堆的规格，特别是电堆的工作电流。因为同时能满足温差及产冷的电堆有好几种，但是由于工作条件不同，通常选用工作电流最小的电堆，因为这时配套电源费用较小，然而电堆的总功率是决定因素，同样的输入电功率减少工作电流就得增加电压（每对元件0.1v），因而元件对数就得增加。
7、确定电堆的数量。这是根据能满足温差要求的电堆产冷总功率来决定的，它必须保证在工作温度时电堆产冷量的总和大于工作对象热负载的总功率，否则无法达到要求。电堆的热惯性非常小，空载下不大于一分钟，但是由于负载的惯性（主要是由于负载的热容量造成的），因此实际要达到设定温度时的工作速度要远远大于一分钟，多时达几小时。如工作速度要求愈大，电堆的数量也就愈多，热负载的总功率是由总热容量加上漏热量（温度愈低、漏热量愈大）。
&&& 上述七个方面是选用电堆时考虑的一般原则，根据上述原用户首先应根据需要提出要求来选择致冷器件。一般的要求：
&&& ①、给定使用的环境温度Th ℃
&&& ②、被冷却的空间或物体达到的低温度Tc ℃
&&& ③、已知热负载Q（热功率Qp 、漏热Qt）W
&已知Th、Tc和Q，再根据温差致冷器的特性曲线就可估算所需的电堆及电堆数量。&&&&&&&&
&&& 1、确定致冷器的型号规格
&2、选定型号后，查阅该型号的温差电致冷特性曲线图。
&3、由使用环境温度和散热方式确定致冷器的热端温度Th，得出相近的Tc。
&4、在相应的特性曲线图中查出冷端Qc的产冷量。
&5、由所需的产冷量Q除以每个电堆的产冷量Qc就得到所需的电堆数量N=Q/Qc
&五.&散热方式
&半导体致冷器件的散热是一门专业技术，也是半导体致冷器件能否长期运行的基础。良好的散热才能获得最低冷端温度的先决条件。以下就是半导体致冷器的几种散热方式：
1、自然散热。&
&&& 采用导热较好的材料，紫铜铝材料做成各种散热器，在静止的空气中自由的散发热量，使用方便，缺点是体积太大。
2、充液散热。
&&& 用较好的散热材料做成水箱，用通液体或通水的方法降温。缺点是用水不方便，浪废太大，优点是体积小，散热效果最好。
3、强迫风冷散热。&
&&&& 工作气氛为流动空气，散热器所用的材料和自然散热器相同，使用方便，体积比自然冷却的小，缺点是增加一个风机出现噪音。
4、真空潜热散热。&
&&& 最常用的就是&热管&散热器，它是利用蒸发潜热快速传递热容量。
&六.&安装方式
&致冷器的安装方法一般有三种：焊接、粘合、螺栓压缩固定。
&&& 在生产上具体用哪一种方法安装，要根据产品的要求来定，总的来说对于这三种的安装时，首先都要用无水酒精棉将致冷器件的两端面擦洗干净，储冷板和散热板的安装表面应加工，表面平面度不大于0.03mm，并清洗干净，以下就是三种安装的操作过程。
1、焊接。&
&&& 焊接的安装方法要求致冷器件外表面必须是金属化，储冷板和散热板也必须能够上焊料（如：铜材的储冷板或散热板）安装时先将储冷板、散热板、致冷器进行加温，（温度和焊料的熔点差不多）在各安装表面都熔上约70℃&&110℃之间的低温焊料0.1mm。然后将致冷器件的热面和散热板的安装面，致冷器件的冷面和储冷板的安装面平行接触并且旋转挤压，确保工作面的接触良好后冷却。该安装方法较复杂，不易维修，一般应用在较特殊的场合。
&&& 粘合的安装方法是用一种具有导热性能较好的粘合剂，均匀的涂在致冷器件、储冷板、散热板的安装面上。粘合剂的厚度在0.03mm，将致冷器的冷热面和储冷板、散热板的安装面平行的挤压，并且轻轻的来回旋转确保各接触面的良好接触，通风放置24小时自然固化。该安装方法一般应用在想永久的把致冷器固定在散热板或储冷板的地方。
3、螺柱压缩固定。
&&& 螺柱压缩固定的安装方法是将致冷器件、储冷板、散热板各安装面均匀的涂上很薄的一层导热硅脂，厚度大约在0.03mm。然后将致冷器件的热面和散热板的安装面、致冷器件的冷面和储冷板的安装面平行接触，并且轻轻的来回旋转致冷器，挤压过量的导热硅脂，一定要确保各工作面的接触良好，再用螺丝将散热板、致冷器、储冷板三者之间紧固，紧固时用力应均匀，切勿过量或太轻，重了易压坏致冷器件，轻了容易造成工作面不接触。该安装简单、快速，维修方便，可靠性较高，是目前产品应用中最多的一种安装方法。
&&& 以上三种安装方法为了能够达到最佳的致冷效果，储冷板和散热板之间应用隔热材料填充，固定螺丝应用隔热垫圈，为减少冷热交替，储冷板和散热板的尺寸大小取决于冷却方法及冷却功率大小，根据应用情况决定。
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